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上帝造骰子,人类玩骰子 — 论物理规律的确定性与随机性

已有 3257 次阅读 2020-5-10 11:53 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记

相对论和量子论是现代物理学的两大支柱,它们共同支撑了当代科学技术的辉煌大厦。但是,相对论和量子论在科学认识论方面存在着不可调和的矛盾。始于二十世纪初的爱因斯坦和玻尔之间关于量子力学解释的著名争论,反映了相对论的确定性与量子论的随机性之间尖锐的对立,成为物理学史上科学哲学论争的经典案例。以爱因斯坦为代表的经典学派坚持牛顿倡导的实在论立场,认为物质世界的本性是确定性的,量子力学的几率描述是不完备的。以玻尔为代表的哥本哈根学派站在实证论立场,认为受测不准关系制约的随机性是微观世界的本性,量子力学是一个完备的物理理论。在物理学历史剧中留有这样两句经典对白:“玻尔,上帝不玩骰子”;“爱因斯坦,不要告诉上帝怎么做”。

这场关于物理规律确定性与随机性的论战延续了一个世纪之久,经典学派和哥本哈根学派两大阵营至今仍未决出胜负。早期,双方试图在逻辑上驳倒对方,但是谁也说服不了谁。后来,随着贝尔不等式检验实验的出笼,使得哥本哈根学派占据上风。现在,两大阵营似乎暂停了舆论之战,但是以相对论和量子论为阵地的暗中较量一直在进行。进入二十一世纪后,黑洞和引力波、量子纠缠和量子信息等重量级大杀器交替面世,了解爱-玻之争的学者不难从中嗅到两大阵营的争战硝烟。这场哲学之争颇有宗教争端之嫌。以爱因斯坦为教主的经典教派在牛顿力学“旧约”和相对论“新约”的长期感召下拥有众多传统信仰者。以玻尔为教主的哥本哈根教派虽从“旧约”脱胎而出,却魔力强大,以“量子经书”赢得无数新的教众。两个教派虽然势同水火,却又难解难分。

那么,上帝到底玩不玩骰子呢?物质本性究竟是确定性还是随机性的?这个问题堪称物理学终极之谜,因为量子论这个科学怪胎缠结了太多的哲学范畴:离散与连续、必然与偶然、部分与整体、主观与客观、存在与意识、实在与实证,等。现实物理学告诉我们:相对论和量子论在认识论上的对立来源于两者对物质本性的认识差异。相对论的出发点是经典的点粒子,量子论的出发点是波粒子。点粒子的本性是离散的,经典力学对点粒子的运动描述是连续的。波粒子的本性是连续的,量子力学对波粒子的运动描述是离散的。由于粒子这个核心概念的对立,相对论和量子论是两个不相容的形式逻辑体系。它们各自都有充足的论据,因为它们都是自洽的理论。它们又无法在逻辑上驳倒对方,因为两个理论具有不同的前提条件。要正确回答上帝玩不玩骰子的问题,必须依据一个具有相同物质前提的理论。在现实物理学中,物质被还原为质子和电子两种原始弹性粒子,相互作用被归结为质量吸引和运动排斥两种基本类型。宇宙万物都是由两种原始粒子通过吸引和排斥作用以层次嵌套的方式构成的。弹性粒子的微观结构是离散的,可以采用随机性描述。弹性粒子的宏观运动是连续的,也可以用确定性方式描述。因此,随机性和确定性是现实物理学对弹性粒子同一实体状态的两种不同形式的表征,是同一枚硬币的两面。

由于物质的本性是离散的粒子,现实物理学本质上是弹性粒子的统计理论。弹性粒子场论的基础是粒子的质量和动量统计,运动状态理论的基础是粒子的运动能量统计,热力学理论的基础是粒子的数量统计。实现弹性粒子统计的关键步骤是时间和空间的量子化。根据物理量的实数量形式,实时间的定义是image.png,实空间位矢的定义是image.png t  rs 分别是时间量子和空间量子,体积量子 Vs = (rs)3 称为空胞。根据实空间定义和粒子的运动排斥作用,每个空胞内的粒子数不为零,而且有限。因此,实空间可以视为有限粒子密度、质量密度、动量密度和能量密度的密度场。当密度场趋于空间连续分布时,弹性粒子场论根据相互作用规则构建质量势和动量势,在质量守恒约束条件下导出粒子场运动的微分方程组,从而实现粒子运动在空间和时间中的确定性描述。粒子场论明确揭示了场和相互作用的本质,经典的物理定律(运动定律、引力定律、电磁定律)都是粒子场论的推论。当密度场的空间分布不连续时,热力学理论通过空胞内的n-团簇统计,在粒子数守恒条件约束下求出系统的运动总能量和相互关系。热力学理论的前提是微观粒子的随机运动,其结论是宏观系统的时间平均效应。热力学定理最终以微分方程的确定性形式表现,但不包含时间变量。与弹性粒子场论和热力学理论不同,运动状态理论考察粒子系统特定时刻的能量状态。弹性粒子在质心坐标系中有平动、转动可振动三种独立的运动模式,N个粒子系统的运动能量{H, L, K}构成一个笛卡尔能量空间。能量空间的点(H, L, K) 代表物体特定时刻的状态,能量空间的结构和平衡条件确定了物体宏观状态的变化规律。综上所述,现实物理学从离散弹性粒子的连续运动出发,以多种途径实现了物体运动从微观状态随机性到宏观状态确定性的过渡。

与理论的粒子模型相对应,狭义相对论的适用范围是高速平动的点粒子,量子论的适用范围是微观振动的波粒子。相对论和量子论中的自旋是没有经典对应而缀加于点粒子和波粒子模型的概念,它们都是不完备的理论。现实物理学的弹性粒子具有转动和振动特性,是粒子自旋和波动性的经典对应物。因此,现实物理学是一个完备的物理理论。现实物理学同时解开了量子本质之谜:量子是物理量的标度,是物理量的单位。物理量的标度允许连续变化,而数字只能取1N之间离散的整数。物理量的能量标度有三种:平动量子(Ks = kT)、转动量子(Ls = lz)和振动量子(Hs = hv),分别适用于平动、转动和振动三种运动模式。振动模式包含了标度不确定性 rs·ps = Hs·ts = h,这就是海森堡测不准关系的来源。哥本哈根学派认为这是由于观察(测量)主体对客体的干扰引起的。这种观点不算错误,因为量子(标度、测量单位)就是个主观概念(不排除它对应某种客观实体)。但是,哥本哈根学派认为观察过程中主体对客体的干扰不可排除,这种观点是不正确的,因为现实物理学的客观性原理给出了排除主体对客体干扰的明确途径。

现在回到那个物理学终极之谜:上帝究竟玩不玩骰子?现实物理学在区别客体与主体的前提下对这个问题给出独特的解答:“上帝不玩骰子。上帝造骰子,人类玩骰子”。这里的上帝(自然)是客体,人类是主体,骰子是质子和电子两种球形弹性粒子。上帝干造骰子的活,人类做玩骰子的事。骰子有不同的玩法,骰子的微观状态可用随机性的方式描述,骰子的宏观特性可用确定性的方式表述。


论文下载:(英文)image.png Outline of Real Physics. Global J. Sci. Front. Res. 2020,20(3A):9-27

       (中文) 现实物理学纲要.pdf



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